1 4 фізичний рівень

Промислові мережі та інтеграційні технології

Реалізація фізичного рівня промислових мереж

Вигадана історія, як ми зі своїм другом свою мережу придумували: "Система на базі батарейок з лампочками"

реєстрація [email protected] автор і лектор: Олександр Пупена ([email protected])

зворотній зв’язок по курсу: Інтернет-форум АСУ в Україні (www.asu.in.ua)

15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 1

reinventing

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://www.asu.in.ua/

Способи передачі даних


LSB (least significant bit) – молодший біт

149

MSB (most significant bit, called the high-order bit) – старший біт

Давай придумаємо мережу, по якій будемо обмінюватися між собою даними.

Взагалі є два способи передачі даних – послідовно і паралельно.

Паралельний має ряд недоліків (велика кількість провідників, ризик різної довжини проводів, взаємні наводки ..) тому зараз він як правило використовуються тільки всередині пристроїв.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Most_significant_bit.svg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Least_significant_bit.svg



Послідовна передача даних – Телеграф на коді Морзе


За одиницю часу приймається тривалість однієї точки. Тривалість тире дорівнює трьом точкам. Пауза між елементами одного знака — одна точка, між знаками в слові — 3 точки, між словами — 7 точок.

Приклад послідовної передачі - це телеграф.

http://www.google.com.ua/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAgQjRw&url=http://patlah.ru/etm/etm-12/morze/azbyka_morze/azbyka_morze.htm&ei=tZfwVJO7H8nmywPy0YCABg&psig=AFQjCNGeh6bB07Ry7NXfygt4GN_03UP5ug&ust=1425140021617651

Спрощена модель послідовної передачі бітів: система на базі батарейок з лампочками


i

трансмітер (G)

ресивер (R)

uTD RD

лінія зв’язку3 3

пристрій 1 пристрій 2

i

трансмітер (G)

ресивер (R)

uTDRD

лінія зв’язку

А можна зробити щось типу телеграфу але не на Морзе а на 2-ковій системі?

Як варіант - зробимо повнодуплексний зв'язок. 1

Можна зібрати схему з лампочки, кнопочки, батарейки та проводів.

"1" – контакт замикаємо, лампа світиться

"0" – контакт розімкнений, лампа не світиться

А можна так щоб в обидва боки?

Основні елементи фізичного інтерфейсу


G(Generator) або T(Transmitter) – трансмітер, передавач (передатчик)R (Receiver) – ресивер, приймач (приёмник) G+R (Transceiver) – трансивер, передавач-приймач (приёмопередатчик)

Сигнали зв'язку мікросхем не пристосовані для передачі на великі відстані, потрібне підсилення, додаткове перетворення. Цим займаються трансмітери.

Типи зв'язку


тільки говорю, нікого не слухаю

тільки слухаю, а говорити не можу

і говорю і слухаю одночасно

і говорю і слухаю одночасно

то говорю, то слухаю що інші кажуть

то говорю, то слухаю що інші кажуть

1

Система на базі батарейок з лампочками: кодування та швидкість


Чому я взяв мою 100 ватну лампу, а вона не світиться? Чому я взяв діодну лампу а вона згоріла? А які батарейки брати, акумулятор від авто піде?

Ура! У мене працює! А скільки тут "0" і "1"?

6 сек 10 сек 4 сек

… треба визначитися з напругою для передачі "0" та "1". Візьмемо 5В для "1" і 0В для "0". Лампи беремо ліхтарні.

2

… треба визначитися з тривалістю біта, тобто швидкістю передачі бітів. Давай візьмемо 1 біт – 1 секунда, тобто швидкість 1 біт/сек.

3

0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

Двійкове кодування бітів


різним рівнем сигналу

різним рівнем сигналу з поверненням в 0

фронтом сигналу зміною фронту сигналу

Фронт – зміна рівня сигналу:передній фронт (rising edge): з "0" в "1"задній фронт (falling edge): з "1" в "0"

2

Двійкове кодування бітів (приклад)


2

Модуляція (в модемах)


Модульований сигнал являється аналоговим.

2

Система на базі батарейок з лампочками: середовище передачі


Який кабель треба використовувати? Між нами 5 км телефонного кабелю його можна використати?

…треба визначитися з максимальною довжиною і типом кабелю. Ні, 5 км це забагато, прийдеться підсилювачі ставити, а от тип кабелю згодиться

4

Середовище передачі


- металевий кабель (передача струмом або напругою) - електромагнітні хвилі (різного спектру)- оптоволокно (передачі світлом)

коаксіальний кабельвита пара

оптоволоконний кабель

4

Середовище передачі (електромагнітні хвилі)


4

Э.Таненбаум "Компьютерные сети"

Система на базі батарейок з лампочками: топологія і кількість вузлів


Супер, все працює! У мене декілька друзів хоче теж підключитися до нашої мережі. Як вони можуть це зробити?

…тут точка-точка не підходить, треба продумати топологію. Можна зірку, або шину. Хай буде шина, але тоді прийдеться напівдуплексний зв'язок робити.

5

Я порахував, що кількість паралельно підключених лампочок не може бути більше 5-ти, це ж зменшення загального опору лінії, так що ще максимум 3-х друзів можна підключити до мережі.

6

Топології


дерево

зірка кільце шина

лінійна (ланцюжок)

вузлова

5

Система на базі батарейок з лампочками: тепер шина!


5

RRD

GTD

RRD

лінія зв’язку

пристрій 1 пристрій 2

G TD

RRD

GTD

пристрій 3

Система на базі батарейок з лампочками: синхронізація


Армянское радио три часа молчало. Потом объявило: пэрэдача для глухых акончэна!

… треба визначитися з синхронізацією: коли початок передачі і як зробити щоб годинники усіх синхронізувалися.

7

Чому вчора з 12-ї до 15-ї години усі мовчали?

12:00 15:00

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Я не мовчав. З 12:00 до 15:00 я пересилав картину "Чорний квадрат" Малевича.

Асинхронна/синхронна передача


Синхронізація: в який час починається посилка та визначається значення бітів?7

Синхронна передача• передача великих об'ємів бітових

послідовностей;• синхронізація через певні проміжки часу;• наявність додаткових ресурсів (або додаткову

смугу пропускання);• більш дорогий в реалізації• …..

• бітова послідовність ділиться на порції (символи);

• символ можна передавати у будь-який момент часу без прив'язки до джерела часу

• синхронізація тільки напочатку передачі символу (старт-біт);

• недорогий (схеми UART)

Асинхронна передача

Як синхронізуватися?

тактовий генератор

тактовий генератор

прийом

передача

Символ та UART


Передача двох символів: 1-й – 11011000; 2-й – 00100011. Біт паритету – непарний; 1 стоповий біт

Відсутність передачі: стан = 1Стартовий біт (Start) – сигнал початку передачі символу : стан=0 протягом 1-го бітуБіти даних – кількість залежить від протоколуБіт паритету (Parity) – контроль парності: Odd(непарний), Even(парний), None(немає)Стоп біти (Stop) – мінімальна пауза між символами : стан =1 протягом 1, 1.5, 2 бітівБітова швидкість (baud rate) вибирається з ряду доступних: популярні 9600 біт/с, 19200 біт/с, для RS232 - 115200 біт/с

Чому прийняті такі символи? (експеримент)


Передає 9600 біт/с Приймає 19200 біт/с

11011000 00100011 10000000 11111110 00001111 11100000

Система на базі батарейок з лампочками: проблема на великих швидкостях


Після того як ми збільшили швидкість до 19200 біт/с у мене якась нестабільна передача

Це ефект відбиття хвиль, який проявляє себе на високих частотах сигналу. Треба робити термінуючі схеми.

8

Модель з розподіленими параметрами


Ланцюг 1iS

iRZ C

RL

GY

Ланцюг 2

Z C

RL

GY

Ланцюг n

Z C

RL

GY

Чим більше частота і довша лінія зв'язку, тим більше проявляються ємнісні та індуктивні властивості лінії зв'язку.

максимальна частота зміни рівня сигналу та довжина лінії зв'язку обернено залежні

Імпульс в мережі та ефект відбиття (дзвона)


Проявляється коли в електричну лінію зв'язку "поміщаються декілька хвиль" (довгі лінії + висока швидкість)

Ланцюг 1iS

iRZ C

RL

GY

Ланцюг 2

Z CR

L

GY

Ланцюг n

Z CR

L

GY

Боротьба з ефектом відбиття


Боротьба з ефектом – термінатори в кінцях лінії (як правило резистори)

terminator1 & terminator2

asu.in.ua

для обидвох кінців шини

Система на базі батарейок з лампочками: містична поведінка


У мене в кожні 6 годин ранку починає світитися лампочка приймача. При цьому передається якась незрозуміла "каша" бітів?

Це мабуть наводки від пускачів двигунів насосів водонасосної станції, там пролягає наш кабель. Треба щось робити з кабелем: можна прокласти в іншому місці, або прокласти екранований.

9

Джерело та боротьба з завадами(шумами): література


https://drive.google.com/file/d/0B2FfwwwweBSVck5UcnVTeXpPbHM/view?usp=sharing






Джерело та боротьба з завадами: bookASUTP.ru


http://www.bookasutp.ru/Chapter3_1.aspx



Джерела завад


Приклади: ланцюги змінного струму (зокрема живлення ПЧ), двигуни, хвилі від станцій, пускачі та релейна апаратура, зварювальна техніка

- воздействия через кондуктивные связи;- влияние неэквипотенциальности "земли"; - наводки через взаимную индуктивность;- наводки через емкостные связи; - высокочастотные электромагнитные наводки.

Шляхи усунення завад


1) придушення завад в джерелі;2) створення приймача, нечутливого до завад;3) мінімізація завади через канал зв'язку

- екранування як сигнальних ліній так і джерела завад: кабелі з екраном, металеві короби, лотки, труби

- заземлення як екранів так і обладнання: просте екранування малоефективне, без заземлення екрану; основне спірне питання екранування з одного боку чи з двох?

- балансування: наприклад використання симетричних способів передачі;

- фільтрація: використання фільтрів частот;- ізоляція: гальванорозв'язка; - рознесення та орієнтація: джерело завади та сигнальні лінії на

відстані або під особливим кутом; - вибір кабелю: наприклад екранований, коаксіальний, вита пара…- кодування сигналу: наприклад манчестерське (фронти), особлива

модуляція (як в As-i)- …

Правила заземлення екрану


Питання які вирішуються на фізичному рівні


1) тип зв'язку (симплекс, дуплекс, напівдуплекс)2) тип та рівень сигналу (напруга/струм/світло…), кодування (NRZ,

манчестерське…) ;3) бітова швидкість;4) тип кабелю, довжини ліній;5) топологія;6) кількість вузлів;7) синхронізація;8) боротьба з відбиттям хвиль;9) боротьба з завадами

Система на базі батарейок з лампочками: проблеми з доступом


Вчора я ніяк не міг передати свої дані, завжди хтось намагався передати свої! Давай якось визначимо хто і коли передає дані!

Так. Це називається колізія. Треба буде визначити правила доступу до шини в протоколі канального рівня. Заодно необхідно визначитись з контролем вірності доставки даних та адресацією.

Питання які НЕ вирішуються на фізичному рівні


1) порядок доступу до загального середовища передачі;2) доставка даних адресату;3) повний контроль цілісності доставки даних;4) фрагментація великих повідомлень;5) об'єднання сегментів різного за типом мереж;6) правила та семантика спілкування між прикладними

програмами;7) організація сеансу зв'язку;8) захист від несанкціонованого доступу;9) керування стан вузла10) …. та багато інших

Реалізація фізичного інтерфейсу


Спеціалізовані трансивери:- AS-i- Ethernet- Profibus PA та FF - HART- ….Стандартні послідовні інтерфейси (реалізовані як готові чіпи):- RS-232;- RS-422;- RS-485;- Current Loop (CL)- USB;- ISO-11898 (+CAN)- I2C;- SPI;- IrDA- ….

http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/index.htm

?



Education

1 4 фізичний рівень